镍基高温合金的研制与应用
2021-11-09 10:29
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镍基高温合金是高温合金中应用最广泛、高温强度最高的品种。其主要原因在于，镍基合金能够溶解更多的合金元素，并保持良好的组织稳定性；
镍基高温合金是高温合金中应用最广泛、高温强度最高的材料。其主要原因在于：首先，镍基合金能够溶解更多的合金元素，并保持良好的组织稳定性；其次，它能形成与基体共格的A3B型金属间化合物γ［Ni3（Al，Ti）］相作为强化相，有效提高合金的强度，使其高温强度高于铁基和钴基高温合金；第三，含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更优异的抗氧化性和抗燃气腐蚀性能。镍基合金通常含有十余种合金元素，其中铬主要发挥抗氧化和耐腐蚀作用，其他元素则以强化为主。按其强化机制可分为：固溶强化元素，如钨、钼、钴、铬、钒等；沉淀强化元素，如铝、钛、铌、钽等；以及晶界强化元素，如硼、锆、镁和稀土元素等。镍基合金可通过固溶强化和沉淀强化两种途径实现强化。
高温合金具有优异的高温强度、良好的抗氧化性和耐腐蚀性、出色的疲劳性能以及较高的断裂韧性等综合性能。其组织为单一奥氏体结构，在不同温度下均表现出良好的组织稳定性和可靠性。因此，以镍为基础（通常镍含量大于50%），在650～1000℃范围内兼具高强度和优良抗氧化及抗燃气腐蚀性能的高温合金，被称为镍基高温合金（以下简称“镍基合金”）。
镍基高温合金的发展包括两个方面：合金成分的优化与生产工艺的创新。镍基高温合金于20世纪30年代末开始研制。1941年，英国率先研制出镍基高温合金Nimonic 75（Ni-20Cr-0.4Ti）；为提高抗蠕变性能并添加铝元素，又开发出Nimonic 80（Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al）。美国于20世纪40年代中期、苏联于40年代末、中国则在50年代中期相继开展了镍基合金的研究与开发。20世纪50年代初，真空熔炼技术的突破为制备含高铝、高钛的镍基合金创造了有利条件。早期的镍基高温合金多以变形合金为主。到了50年代末，随着涡轮叶片工作温度的提升，对合金的高温强度提出了更高要求。然而，随着合金强度的提高，其塑性变形变得愈发困难甚至难以实现，因此采用定向凝固和单晶铸造工艺，研制出一系列具有优异高温强度的铸造合金。20世纪60年代中期，又相继开发出性能更优的定向凝固及单晶高温合金，以及粉末冶金高温合金。为满足舰船和工业燃气轮机的需求，自20世纪60年代起，一批具有良好热腐蚀抗力且组织稳定的高铬镍基合金也得以问世。从20世纪40年代初至70年代末的约四十年间，镍基高温合金的工作温度由700℃逐步提升至1100℃，年均增幅约为10℃。
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